Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe - | IDDRI
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Hydrogène pour la neutralité
climat : conditions
de déploiement en France
et en Europe
Ines Bouacida, Nicolas Berghmans (Iddri)
En parallèle des plans de relance de 2020, la Commission européenne, la France, l’Allemagne et d’autres
États membres de l’Union européenne ont simultanément annoncé des stratégies ambitieuses de
développement de l’hydrogène, représentant plus de 50 milliards d’euros d’investissements à l’horizon
2030. L’objectif étant, in fine, de contribuer à l’atteinte de la neutralité climat.
Cette Étude vise à identifier les principaux enjeux du développement des technologies de l’hydrogène,
pour que celui-ci contribue effectivement à atteindre un système neutre en émissions de façon durable.
En raison de sa relative basse efficacité énergétique qui affecte sa performance technique et climatique
par rapport à des alternatives, il faut cibler en priorité la consommation d’hydrogène vers l’industrie
(chimie, raffinerie, acier) et certains segments du transport de longue distance (aviation, maritime). Et
le déploiement de l’infrastructure doit être étroitement lié aux modes de production choisis, au rôle de
l’hydrogène dans le transport de poids lourds et aux stratégies d’approvisionnement d’hydrogène entre
fourniture domestique ou importations.
MESSAGES CLÉS
La relative faible efficacité énergétique de l’hy- Dans un système neutre en émissions, l’hy-
drogène par rapport à d’autres vecteurs énergé- drogène doit être produit à partir d’électrolyse
tiques indique qu’il n’a pas vocation à se subs- renouvelable ou nucléaire, tandis que l’hydrogène
tituer au méthane fossile (gaz naturel) dans le à base de méthane fossile et de capture et stoc-
système énergétique. Néanmoins, il est utile kage de carbone (CCS) ne pourrait jouer un rôle
pour la décarbonation de certains usages, en dans une période de transition que s’il remplit des
priorité dans l’industrie et le transport, et pourra conditions climatiques et de viabilité économique
jouer un rôle essentiel dans l’équilibrage et la non atteintes aujourd’hui. Le coût de l’hydrogène
sécurité du système électrique. Le développe- par électrolyse varie selon les gisements d’électri-
ment rapide de ces nouveaux marchés suppose cité qu’il mobilise. Même compte tenu des progrès
la diffusion de technologies, d’équipements et technologiques attendus, il restera supérieur à
ÉTUDE
de systèmes d’approvisionnement radicalement long terme aux alternatives fossiles que l’hydro-
nouveaux, dont le succès repose sur la mise en gène doit remplacer, mais offrira une solution
œuvre de politiques de soutien à la fois côté offre économiquement viable dans les secteurs pour
et demande. lesquels il n’existe pas ou peu d’alternative..
Les besoins en infrastructures d’hydrogène à long Les échanges transfrontaliers d’hydrogène peuvent
terme dépendent de choix stratégiques en termes être intéressants sur le plan économique, mais
d’offre et de demande, notamment du rôle de posent des enjeux de géopolitique d’approvisionne-
l’hydrogène à base de méthane fossile et CCS, ment énergétique, de spécialisation industrielle et
de l’utilisation de l’hydrogène pour la production de mise en place de normes de durabilité.
d’électricité et le transport de poids lourds et des
N° 02
Janvier choix d’approvisionnement transfrontaliers en
2022 hydrogène et carburants dérivés.Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions
de déploiement en France et en Europe
Ines Bouacida, Nicolas Berghmans (Iddri)
1. INTRODUCTION _____________________________________________________________________________________________ 5
2. CONDITIONS DE DÉPLOIEMENT DE L’HYDROGÈNE
PAR CATÉGORIE D’USAGE _____________________________________________________________________________ 7
2.1. Des usages incontournables ............................................................................................................................................................... 10
2.2. Des usages avec des alternatives et pour lesquels le rôle de l’hydrogène est incertain ............... 10
2.3. Des usages où il est peu probable que l’hydrogène joue un rôle significatif ........................................... 12
3. PRODUCTION D’HYDROGÈNE POUR LA NEUTRALITÉ CLIMAT :
DE FORTES CONTRAINTES _________________________________________________________________________ 13
3.1. Quelle offre d’hydrogène à faible empreinte de gaz à effet de serre ? ......................................................... 14
3.2. L’hydrogène bleu : un enjeu de timing ...................................................................................................................................... 16
3.3. Hydrogène par électrolyse : l’enjeu de l’accès à une électricité renouvelable ou nucléaire
à faible coût ...................................................................................................................................................................................................... 16
4. FACTEURS STRUCTURANTS DE L’INFRASTRUCTURE
HYDROGÈNE A MOYEN ET LONG TERME ET IMPLICATIONS
POUR LES INFRASTRUCTURES ÉNERGÉTIQUES _________________________________________ 19
4.1. Des infrastructures de CO2 ou d’hydrogène de longue distance nécessaires en cas
de développement de l’hydrogène bleu .................................................................................................................................. 20
4.2. L’évolution du mix électrique et les modes de production par électrolyse influeront sur les
besoins en infrastructures de transport et de stockage d’hydrogène ........................................................ 20
4.3. Le transport routier de longue distance, un besoin diffus qui peut faire basculer le
développement de l’infrastructure hydrogène ................................................................................................................... 21
4.4. Une contribution des importations à l’approvisionnement qui justifierait des connexions
transfrontalières ............................................................................................................................................................................................ 22
5. L’IMPORTATION D’HYDROGÈNE : DES ENJEUX ÉCONOMIQUES,
INDUSTRIELS ET DE DURABILITÉ ________________________________________________________________ 22
5.1. Enjeux économiques des importations d’hydrogène et dérivés ........................................................................ 23
5.2. Enjeux des chaînes de valeur industrielles et importations d’hydrogène .............................................. 24
5.3. Enjeux environnementaux pour les importations d’hydrogène ou de produits dérivés
d’hydrogène ...................................................................................................................................................................................................... 24
6. CONCLUSION _______________________________________________________________________________________________ 25
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ___________________________________________________________________ 27
– 3 –LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
6 Figure 1. Carte des stratégies hydrogène nationales en Europe à 9 Tableau 1. Catégorisation des usages hydrogène pour la France
date de décembre 2020. inspirée de (Energy Transitions Commission, 2021a) et estimations
Source : Hydrogen Europe (2020) provisoires des volumes de demande selon (RTE, 2020a, 2021a).
7 Figure 2. Émissions de l'Union européenne par secteur dans un 13 Tableau 2. Demande européenne d’hydrogène à l’horizon 2050
scénario pour atteindre la neutralité climat en 2050. Source : dans différentes études prospectives.
European Commission (2018a). Cette Figure ne tient pas compte
du paquet Fit for 55 proposé en 2021.
9 Figure 3. Demande d'hydrogène hors secteur électrique en 2050
selon deux trajectoires pour l'hydrogène par RTE : référence et hydrogène +
14 Figure 4. Émissions de GES du cycle de vie de l'hydrogène bleu pris
en compte dans cette analyse. Source : inspiré de Gorski et al. (2021).
15 Figure 5.Émissions de GES au cours de la production d'hydrogène
bleu par SMR ou ATR.
17 Figure 6. Évolution du coût des électrolyseurs d'ici à 2050 selon
un scénario optimiste ou conservateur, selon BNEF (2020), IRENA
(2020) et IEA (2021b).
18 Figure 7. Coût de l'hydrogène par électrolyse et bleu ainsi que
d'alternatives fossiles (pétrole, gaz naturel, hydrogène à partir de
gaz naturel et charbon).
19 Figure 8. Zones « sans regret » pour une infrastructure hydrogène
qui approvisionne la demande industrielle non-énergétique
en hydrogène à 2050. Source : Agora Energiewende & AFRY
Management Consulting (2021).
21 Figure 9. Coût du transport de l'hydrogène selon le volume
transporté, la distance de transport et le moyen de transport.
23 Figure 10. Importations d'énergie dans l'UE en 2015, 2030 et
2050 selon différents scénarios. Adapté de European Commission (2018).Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe
1. INTRODUCTION Les stratégies hydrogène nationales diffèrent sur certains
aspects, en particulier sur le type d’hydrogène soutenu – par
L’année 2020 a vu un intérêt inédit pour les technologies hydro- électrolyse avec de l’électricité renouvelable ou nucléaire, ou
gène dans l’Union européenne (UE) et dans le monde, poussé uniquement renouvelable, éventuellement bleu –, l’inclusion
par la publication de plusieurs stratégies de déploiement de de projets d’importation d’hydrogène d’autres zones géogra-
l’hydrogène et de plans d’investissements pour les opération- phiques ou d’exportation vers d’autres pays européens et le
naliser. Ainsi, l’UE se fixe pour objectif de construire 40 GW développement d’une infrastructure de transport d’hydrogène.
d’électrolyseurs produisant 10 Mt d’hydrogène (333 TWh1) La capacité à rendre compatibles entre elles ces visions natio-
à 2030, tandis que la France vise 6,5 GW d’électrolyseurs nales émergentes, dans l’objectif de construire une filière hydro-
et 7,2 voire 9,1 milliards d’€ d’investissements publics d’ici à gène compétitive et compatible avec la protection du climat,
cette date (Elysée, 2021 ; European Commission, 2020 ; MTE, sera un des défis clés des stratégies dans l’UE.
2020). Ces stratégies font suite à des initiatives nationales plus Ces plans d’investissements s’inscrivent dans le contexte des
modestes, comme le plan hydrogène lancé en 2018 en France, stratégies pour atteindre la neutralité climat dans l’UE à l’horizon
qui mobilisait 50 millions d’euros principalement pour soutenir 2050, qui parient sur l’hydrogène comme la meilleure option
des projets pilotes de production et d’utilisation d’hydrogène pour la décarbonation de certains secteurs clés. Pour l’UE, cela
(MTES, 2018). s’ajoute à l’intérêt perçu que l’hydrogène pourrait contribuer à
Dans l’UE, ces objectifs cumulés visent à installer plus de diminuer la dépendance européenne aux importations d’énergie
27,8 GW d’électrolyseurs, soit 70 % de l’objectif européen pour en remplaçant un certain nombre de vecteurs énergétiques
2030 tandis que six autres États membres préparent encore leurs fossiles (méthane fossile, charbon et produits pétroliers) s’il est
propres stratégies (European Commission, 2020 ; Hydrogen produit domestiquement, mais aussi que le déploiement des
Europe, 2020). Ces initiatives démontrent l’intérêt partagé sur technologies hydrogène ouvre l’opportunité aux acteurs euro-
le continent pour le développement d’une filière européenne péens de devenir des leaders industriels pour des technologies
de l’hydrogène (Figure 1). Plusieurs États membres européens qui seraient clés pour la réduction durable des émissions dans le
ont annoncé leur participation à un Projet important d’intérêt monde entier (IEA, 2021b).
européen commun (PIIEC) sur l’hydrogène pour en coordonner Le déploiement d’une nouvelle filière énergétique tout en
le développement technologique. s’assurant qu’elle contribue bien à la décarbonation du système
La concomitance avec la crise économique consécutive énergétique de façon soutenable constitue néanmoins un enjeu
à la pandémie de Covid-19 et la volonté politique d’investir industriel de taille. Côté demande, beaucoup d’usages visés par
pour relancer l’économie européenne, matérialisée par l’adop- les plans hydrogène (industrie et transport lourd) n’utilisent à
tion d’un plan de relance de l’Union européenne d’ampleur ce jour que très peu voire pas du tout d’hydrogène ni même de
inédite (European Commission, 2021d) a permis de dégager méthane fossile. Côté offre, la production actuelle d’hydrogène
des moyens financiers conséquents pour initier le développe- dans le monde (hors co-production) est très carbonée puisqu’es-
ment de la filière. De nombreux États membres ont ainsi choisi sentiellement issue de vaporeformage du méthane et de gazéi-
d’inclure l’hydrogène dans les priorités du plan de relance qu’ils fication du charbon.
ont présentées à l’UE, contribuant ainsi à l’atteinte du critère de Pour définir une stratégie industrielle de développement
37 % des dépenses dédiés à l’action climatique. de l’hydrogène compatible avec la décarbonation du système
énergétique, la question des usages dans lesquels déployer
l’hydrogène est fondamentale. L’hydrogène comme vecteur
1 En comptant le contenu énergétique de l’hydrogène en pouvoir calorifique énergétique est relativement peu efficace si l’on considère
inférieur. Cette convention est gardée tout au long de l’étude. toute sa chaîne de production et d’utilisation, et son potentiel
– 5 –FIGURE 1. Carte des stratégies hydrogène nationales en Europe à date de décembre 2020
X GW : Engagement en capacité d’électrolyse
X Md€ : Engagement en financements
Stratégie hydrogène en développement 3.5 GW
(2)
Stratégie hydrogène adoptée
5 GW
9 Md€
6.5 GW
7.2 Md€
1.5 GW
(4)
2.3 GW 4 GW
8 Md€ 8.9 Md€
(1)
5 GW
10 Md€
(3)
Les chiffres pour l’Espagne et l’Italie font référence aux investissements mobilisés alors que ceux pour la France font référence à des dépenses
de fonds publics.
1. La cible pour l’électrolyse est de 2-2,5 GW et l’investissement total mobilisé est de 7-9 milliards, y compris 1 milliard de fonds publics.
2. La cible d’électrolyse est de 3-4 GW.
3. Chiffres selon les Lignes Directrices provisoires de la Stratégie Nationale pour l’Hydrogène.
4. La version provisoire de la stratégie fait référence à une cible d’électrolyse de 1-2 GW.
Source : Hygrogen Europe (2020).
de production est limité par les ressources en électricité bas- politique et législative encore en cours sur le renforcement de
carbone ou la disponibilité de stockage géologique de CO2, ce l’objectif pour 2030 de réduction des émissions par rapport à
qui souligne l’importance de déployer l’hydrogène en priorité 1990 de 40 % à au moins 55 %, qui implique une diminution
dans les secteurs qui en ont le plus besoin pour diminuer leurs accélérée des émissions (Figure 2). L’adoption en particulier
émissions. L’hydrogène pour ces usages doit en outre avoir une d’objectifs de neutralité climatique a permis de mettre à l’agenda
faible empreinte carbone en cycle de vie, par électrolyse de la question de la décarbonation de secteurs réputés difficiles à
l’eau ou via la combinaison de technologies de séquestration du décarboner comme l’industrie lourde (Waisman et al., 2021).
carbone au reformage du méthane. C’est dans ce contexte que le développement d’une filière
Cette étude vise à identifier les principales conditions de hydrogène apparaît comme une solution. En tant que vecteur
développement d’une filière hydrogène en France et en Europe. énergétique et réactif chimique, l’hydrogène présente plusieurs
Elle propose d’explorer les principaux enjeux de demande atouts pour le système énergétique, qui sont en réalité communs
d’hydrogène (Section 2), puis ceux côté offre (Section 3), les à plusieurs molécules : la possibilité de le stocker sous forme
paramètres structurants des infrastructures de transport et de gazeuse ou liquide et sa relative grande densité énergétique en
stockage de l’hydrogène (Section 4), et enfin les questions que termes de masse, même si sa faible densité volumique et les forts
des importations d’hydrogène soulèveraient (Section 5), et s’at- potentiels de fuite posent des défis (IEA, 2019b). Puisqu’il est
tache à mettre les objectifs de déploiement de l’hydrogène en possible de le produire à l’aide de procédés potentiellement peu
perspective avec les autres transformations nécessaires pour la émetteurs, par électrolyse ou à partir de méthane fossile couplé
transition énergétique. à du captage et stockage (CCS) du CO2, et qu’il n’émet pas de
L’attrait récent pour l’hydrogène est à lier directement CO2 lors de sa combustion, l’hydrogène présente une opportu-
au renforcement des objectifs climatiques en Europe et dans nité pour les applications énergétiques qui ne peuvent se passer
le monde. À la suite de l’adoption de l’Accord de Paris et son de molécules et pour certaines réactions chimiques industrielles.
objectif de limitation du réchauffement climatique à moins de Développer la production d’un hydrogène à faible empreinte
2°C pour tendre vers 1.5°C, l’Union européenne a décidé de viser carbone pourrait donc permettre de décarboner durablement
la neutralité climat d’ici 2050 (European Commission, 2018a). les usages existants d’hydrogène (à base de carburants fossiles
Cet objectif implique une accélération rapide de la réduction de sans CCS), dont la demande s’élève aujourd’hui à 340 TWh/
ses émissions de gaz à effet de serre et a lancé une discussion an en Europe, soit 10 Mt (Agora Energiewende & Guidehouse,
– 6 –Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe
FIGURE 2. Émissions de l'Union européenne par secteur dans un scénario pour atteindre la neutralité climat en 2050
5000 Mt CO2eq Différents scénarios d’émissions zéro de GES
z aboutissent à différents niveaux d’émissions résiduelles
z et d’absorption d’émissions de GES
4000 z
z
z
3000 Emissions nettes
Mt CO2eq z
z
Autre – hors CO2
2000
Agriculture – hors CO2
z
Résidentiel
1000
Tertiaire
z
Transports
0 z
z Industrie
Electricité
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Utilisation des terres,
changement d’affectation
des terres et foresterie (UTCATF)
Technologies
d’élimination du carbone
Source : European Commission (2018a). Cette Figure ne tient pas compte du paquet Fit for 55 proposé en 2021.
2021). D’autre part, cet hydrogène pourrait servir à développer l’énergie (AIE) indique que sans des mesures de maîtrise de la
de nouveaux procédés industriels moins intensifs en carbone, demande, dont une partie est réalisée en orientant la consom-
par exemple pour la fabrication d’acier (IEA, 2019b). Enfin, la mation vers l’électricité, la demande en 2050 serait 90 % plus
possibilité de stocker l’hydrogène sous forme gazeuse ou liquide élevée que dans le scénario net zéro (IEA, 2021b).
pourrait être mise à profit dans le transport de longue distance Pour atteindre ces objectifs, le rythme de mise en œuvre de
ou pour produire de l’électricité en complément des énergies ces mesures doit s’accélérer, par exemple via l’adoption de véhi-
renouvelables variables lors des périodes où la demande excè- cules électriques plutôt que thermiques et l’amélioration de la
derait l’offre. On envisage en particulier un rôle déterminant récupération de chaleur dans l’industrie (IEA, 2021b). Au niveau
pour l’hydrogène comme moyen de stockage inter-saisonnier européen et en France, les progrès déjà réalisés sont également
à l’horizon post-2035 et de flexibilisation de la consommation insuffisants et les efforts doivent s’intensifier pour atteindre la
pour équilibrer l’offre et la demande d’électricité tout au long de neutralité climat (European Commission, 2018b ; MTES, 2019 ;
l’année, en particulier dans des systèmes à forte part d’énergie Rosenow et al., 2017).
renouvelable variable (RTE, 2021a). Si l’hydrogène est déployé dans de nouveaux usages sans des
efforts d’efficacité énergétique, le risque est que les besoins en
hydrogène soient plus conséquents que prévu et qu’ils appellent
2. CONDITIONS DE DÉPLOIEMENT à mobiliser des gisements plus chers même pour les usages
« incontournables » pour la neutralité (voir Section 3.3). Cela
DE L’HYDROGÈNE
signifie qu’une demande énergétique très élevée pourrait donner
PAR CATÉGORIE D’USAGE lieu à un rôle de l’hydrogène plus circonscrit.
Dans quelle mesure l’hydrogène est-il indispensable ?
Étant donné la faible efficacité de l’hydrogène lorsqu’on consi- Pour de nombreux usages, l’hydrogène et d’autres molécules
dère sa chaîne énergétique et les transformations industrielles sont substituables : l’hydrogène est une molécule dont le bilan
importantes souvent associées à son adoption dans les usages de gaz à effet de serre (GES) peut être bas (voir Section 3.1),
finaux, il convient d’identifier les degrés de priorité de ses utili- mais il en existe d’autres : biogaz et biométhane, méthane de
sations possibles. L’hydrogène ne réduirait les émissions des synthèse, ammoniac, méthane fossile couplé à du CCS pour les
usages finaux qu’à condition que sa production soit soutenable vecteurs gazeux, biocarburants et carburants synthétiques pour
climatiquement et si son offre est suffisante et économique- les vecteurs liquides utilisés dans les transports (voir Encadré).
ment abordable ; ces enjeux sont explicités en Section 3. Cette dynamique est visible dans les deux trajectoires hydro-
La maîtrise de la demande est un pré-requis pour un déploie- gène développées par RTE. Dans la trajectoire « hydrogène + »,
ment de l’hydrogène pour la décarbonation à moindre coût. l’augmentation de la consommation d’hydrogène par rapport à
Dans son rapport Net Zero by 2050, l’Agence internationale de la trajectoire de référence a lieu principalement aux dépens des
– 7 –vecteurs issus de la biomasse (biomasse solide, biocarburants
et biogaz) (RTE, 2020a). Dans son analyse des trajectoires de ENCADRÉ : DÉFINITIONS DES
consommation hydrogène en Allemagne à 2050, l’institut Fraun- MOLÉCULES À POTENTIEL FAIBLE
hofer IEE note également que le niveau de demande dépend de BILAN DE GES
la part de biomasse dans le mix (Gerhardt et al., 2020). Biogaz/biométhane. Le biogaz est un vecteur
Cela signifie que le déploiement de l’hydrogène est inver- gazeux, constitué principalement de méthane (CH4) et
sement dépendant de l’adoption d’autres molécules à faible de dioxyde de carbone (CO2) issu de la dégradation de
bilan de GES, par exemple le biométhane en France. Or, comme matière organique, qui peut être utilisé directement, par
pour l’hydrogène, le potentiel de ces dernières est limité par des exemple pour la production d’électricité, mais qui est
contraintes biophysiques ou techno-économiques dont l’évo- souvent purifié ; le CO2 est alors extrait du biogaz pour
lution est incertaine. Pour bien estimer le développement de former du biométhane.
l’hydrogène, il est donc important de considérer aussi les enjeux Méthane de synthèse. Ce type de méthane (CH4)
associés aux autres molécules. est produit grâce au processus de méthanation à partir
— Le biométhane peut être moins coûteux que l’hydrogène d’hydrogène et de CO2 d’origine industrielle, de purifica-
selon l’électricité utilisée (objectif de 60 €/MWh pour le tion du biogaz ou directement capté dans l’air.
biométhane injecté en France à l’horizon 2028), mais son Hydrogène. L’hydrogène (H2) est un gaz produit à
potentiel est fortement limité par des contraintes biophy- partir de carburants fossiles (notamment le méthane
siques et la production de biomasse est en concurrence avec fossile en Europe) ou d’électrolyse de l’eau. Il peut
d’autres usages des terres (European Commission, 2018b). souvent, mais pas systématiquement, être utilisé
Ces facteurs limitent également le potentiel des biocarbu- dans les mêmes procédés que le méthane sur le plan
rants liquides. technique.
— L’utilisation du méthane de synthèse est contrainte par des Ammoniac. L’ammoniac (NH3), produit à partir
conditions économiques : le processus de production via le d’hydrogène et d’azote de l’air, sert dans l’industrie
procédé power-to-hydrogen-to-methane est très peu effi- chimique, notamment pour la fabrication de fertilisants.
cace énergétiquement (Agora Verkehrswende et al., 2018), Il peut également être utilisé comme vecteur énergé-
ce qui suggère qu’il sera en forte compétition avec d’autres tique, notamment comme carburant dans le secteur des
vecteurs à faible bilan de GES sur la plupart des usages. Par transports, ou comme combustible dans les centrales
rapport à l’hydrogène, le méthane de synthèse a l’avan- électriques et certains fours industriels. Il n’émet pas de
tage de ne pas nécessiter d’adaptation des infrastructures CO2 à la combustion.
de transport et d’usage aval pour les usages existants du Biocarburants liquides. Ces carburants liquides à
méthane fossile. Il pourrait en théorie être intéressant pour base de matière organique sont aujourd’hui générale-
les usages diffus pour lesquels une infrastructure de trans- ment incorporés en minorité aux carburants fossiles
port hydrogène ne serait pas économique (e.g. bâtiments). (essence et gazole).
Les carburants de synthèse subissent les mêmes contraintes, Carburants liquides synthétiques. Produits à base
et ne seraient une solution que sur certains segments du d’hydrogène et de CO2 via le procédé Fischer-Tropsch
transport qui n’ont pas d’alternatives suffisamment abon- pour le gazole, l’essence et le kérosène synthétiques
dantes (aviation et maritime notamment) (Ueckerdt et al., et par synthèse pour le méthanol. Ces carburants sont
2021). En outre, pour diminuer les émissions, les vecteurs de caractérisés par une efficacité énergétique très faible
synthèse ne pourraient utiliser que du CO2 issu de captage dans les moteurs de véhicules comparée aux batteries et
direct dans l’air (DAC, en anglais) ou de biomasse produite aux piles à combustible, ce qui suggère que leur utilisa-
durablement, une technologie encore peu développée et tion sera limitée aux applications sans alternative (avia-
dont les conditions économiques sont incertaines (Trans- tion, transport maritime) (Agora Verkehrswende et al.,
port & Environment & E4Tech, 2021). 2018 ; Ueckerdt et al., 2021).
— L’ammoniac est plus facile à stocker que l’hydrogène et peut
s’appuyer sur l’infrastructure de transport et de stockage
existante, notamment au niveau des ports. S’il a l’avantage
par rapport aux autres molécules de ne pas être carboné, la secteur du transport (voir Section 2.2).
nécessité d’adapter les usages aval et le fait qu’il soit subor- Des estimations plus certaines de demande en hydrogène
donné aux ressources en hydrogène limite son utilisation ne pourront être formulées tant que certaines des incertitudes
(International Transport Forum - OECD, 2018). Il pourrait entourant le déploiement des molécules à potentiellement
notamment être utile dans le secteur maritime. faible bilan de GES, telles que le coût de la technologie DAC, ne
sont pas levées. Cela souligne l’importance pour les estimations
Outre les facteurs propres à un vecteur en particulier, le d’évolution de la filière hydrogène de préciser les hypothèses
développement respectif des molécules à faible bilan de GES est retenues pour les autres molécules, et vice versa.
soumis à des dynamiques de dépendance de sentier par secteur Plusieurs études proposent des classifications des usages
et de construction de filière. C’est particulièrement le cas pour le de l’hydrogène par niveau de priorité et selon leur opportunité
– 8 –Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe
TABLEAU 1. Catégorisation des usages hydrogène pour la France inspirée de (Energy Transitions Commission, 2021a)
et estimations provisoires des volumes de demande selon (RTE, 2020a, 2021a).
Type d’usage (ETC, 2021) Usage Maturité (ETC, Certitude Niveau de demande en France en 2050
2021) (ETC, 2021) Selon trajectoire RTE « référence » (SNBC) et « hydrogène + »*
Usages existants et Raffineries haute haute Raffinage : 3 TWh
compatibles avec la neutralité Ammoniac Ammoniac et engrais : 8 TWh
climat
Méthanol Chimie : 2 TWh
Usages potentiellement de Acier basse haute Acier : 5-10 TWh
grande échelle à long terme, Aviation Aviation : 1-35 TWh
mais avec des délais de
déploiement significatifs Maritime Maritime : 0-4 TWh
Stockage d’électricité Production élec. : entre 0 et 15 TWh selon le mix électrique
Usages techniquement Poids lourds (PL) basse moyenne- PL : 7-30 TWh
possibles, mais pour lesquels Chaleur HT basse Chaleur HT : 4-22 TWh
l’avantage comparatif de
l’hydrogène est incertain Chauffage bâtiments Chauffage : 0 TWh
Plastiques Plastiques : ?
Rail Rail : 1 TWh
Usages potentiels à court terme Injection en mélange moyenne basse Injection : 1 TWh
et de manière transitionnelle Production élec. en Méthanation : 2 TWh
cogénération avec du
méthane fossile
Total : 34-143 TWh
* Quand une seule valeur est donnée pour un usage, elle est identique dans les deux trajectoires. Ces valeurs de consommation n’incluent pas la coproduction
d’hydrogène.
FIGURE 3. Demande d'hydrogène hors secteur électrique techno-économique (Agora Energiewende & Guidehouse,
en 2050 selon deux trajectoires pour l'hydrogène par RTE : 2021 ; Energy Transitions Commission, 2021a ; Mcwilliams &
référence et hydrogène + Zachmann, 2021 ; Ueckerdt et al., 2021)2.
Cette étude propose une catégorisation des usages adaptée
au cas français qui s’inspire de celle proposée par la coalition d’ac-
160 Demande en hydrogène [TWh]
teurs de la transition énergétique Energy Transitions Commission
(Energy Transitions Commission, 2021a). Ces derniers proposent
140 une classification des usages hydrogène selon deux paramètres :
la maturité (paramètre combinant maturité technologique,
120 compétitivité économique et facilité d’un secteur à utiliser de
Méthanation l’hydrogène par électrolyse ou bleu), et le niveau de confiance
Injection dans le rôle que l’hydrogène peut jouer (niveau de certitude).
100 Elle aboutit à quatre catégories représentées dans le Tableau 1,
Chauffage
illustrées par deux trajectoires hydrogène développées par RTE
Chaleur haute-température à 2050 (Figure 3).
80
Rail Il paraît évident que malgré son rôle clé pour la décarbona-
Poids lourds tion de certains usages, l’hydrogène n’est pas amené à remplacer
60 le méthane fossile dans le système énergétique, ce qui conforte
Maritime
les conclusions d’une précédente étude Iddri (Bouacida & Bergh-
Aviation mans, 2021). Nombre d’usages envisagés pour l’hydrogène ne
40
Production élec sont pas aujourd’hui consommateurs de méthane et les volumes
Acier considérés pour l’hydrogène à long terme sont bien inférieurs
20 à la demande actuelle de méthane. Au niveau européen, les
Chimie
études existantes situent la demande d’hydrogène en 2050
Ammoniac et engrais entre environ 300 et 3 000 TWh de demande (Tableau 2) ; alors
0
Raffineries que la demande en méthane fossile est d’environ 3 000 TWh
Référence Hydrogène + aujourd’hui (IEA, 2019a).
L’objectif de cette section est de discuter des conditions tech-
Source : RTE (2020b, 2021a). nico-économiques – outre la baisse des coûts de production –,
2 Voir aussi l’échelle de l’hydrogène propre de Liebreich Associates (Editors of
The Economist’s, 2021).
– 9 –industrielles et sociétales pour le développement des usages Une étude du CISL et d’Agora Energiewende suggère que
hydrogène selon leur degré de priorité, sur la base de la catégo- la « prime verte » payée par les consommateurs au niveau
risation des usages proposée dans le Tableau 1, et de fournir des des produits finaux décarbonés serait assez modeste pour de
éléments de contexte du déploiement des technologies hydro- nombreux produits, par exemple +1 % pour une voiture fabri-
gène entamé en France et dans l’UE. Nous distinguons trois types quée avec de l’acier « vert », soit avec de l’hydrogène pur pour
d’usage. la réduction directe du minerai de fer, ce qui suggère que le coût
additionnel est supportable pour les consommateurs (CISL &
2.1. Des usages incontournables Agora Energiewende, 2021). Néanmoins, l’utilisation de l’hydro-
gène bleu ou par électrolyse soulève la question de la compé-
Les usages incontournables de l’hydrogène se définissent par titivité à l’échelle internationale des produits finaux (y compris
l’absence d’alternatives suffisamment basses en émissions pour des carburants de synthèse), qui est discutée plus en détail dans
être compatibles avec la neutralité et qui peuvent couvrir tous la Section 5.
les besoins, ce qui suggère que, sur ces segments, l’hydrogène Il est important pour les politiques publiques de soutenir le
bleu ou par électrolyse pourrait avoir une bonne compétitivité développement des usages incontournables pour atteindre la
économique par rapport à d’autres vecteurs, malgré un coût de neutralité climat. Pour certains d’entre eux, des efforts supplé-
l’hydrogène plus élevé que ses alternatives fossiles. mentaires de recherche et développement sont nécessaires,
Ces usages se trouvent dans l’industrie et dans le transport notamment pour l’acier et le transport aérien et maritime.
de longue distance : Les usages matériau de l’hydrogène dans l’industrie sont un
— Usages existants (industriels) et pour lesquels la axe central des stratégies hydrogène européennes. Côté français,
demande subsistera dans un système neutre en émissions : l’accent est mis sur les usages existants de l’hydrogène, avec
fabrication d’ammoniac, raffineries, méthanol. Le volume d’autre part des financements de recherche et développement
de demande pour les raffineries et l’ammoniac dépend pour les usages dans l’industrie de l’acier et pour la fabrication
d’autres orientations stratégiques dans la transition vers un de carburants liquides. Au niveau européen, des projets pilote
système qui respecte les limites planétaires. L’ammoniac utilisant de l’hydrogène pour la fabrication d’acier sont en cours,
est utilisée à 90 % pour la fabrication de fertilisants azotés comme celui d’Arcelor Mittal en Allemagne ou l’initiative HYBRIT
synthétiques (Material Economics, 2019), dont l’usage en Suède ; le projet H2 Green Steel en Suède projette l’ouverture
doit être limité pour préserver le cycle de l’azote (Poux & d’une usine d’acier à l’échelle commerciale à horizon 2024.
Aubert, 2018) ; tandis que les raffineries seraient main-
tenues pour la transformation des biocarburants, dont le 2.2. Des usages avec des alternatives et
déploiement dépend de choix d’utilisation des ressources pour lesquels le rôle de l’hydrogène est
en biomasse. incertain
— Autres usages pour lesquels les technologies ne sont pas
encore commercialisables, mais qui pourraient consommer Il existe plusieurs usages énergétiques pour lesquels le rôle de
de grands volumes dans un système neutre en émissions : l’hydrogène est très incertain sur les plans techno-économique,
l’acier, le transport aérien et maritime. Pour le transport politique et industriel : des alternatives existent, mais l’hydro-
aérien et maritime, la biomasse est une alternative poten- gène serait nécessaire pour couvrir une partie de la demande.
tiellement compatible avec la neutralité climat sous forme
de biocarburant. Néanmoins, le potentiel de biomasse Transport lourd de route (poids lourds et bus). Sur ce
durable est limité par des facteurs biophysiques et des segment, les véhicules électriques à batterie et à pile à combus-
conflits d’usage (voir supra). Plusieurs études soulignent ainsi tible sont en concurrence forte au niveau technico-économique.
que les carburants dérivés de l’hydrogène représentent une Comme pour le transport aérien et maritime, le biométhane
option plus efficace en termes d’occupation des sols pour le pourrait jouer un rôle à condition que la biomasse soit sourcée
transport maritime et l’aviation à long terme, même si les de manière durable, mais cette option est limitée en volume
biocarburants peuvent participer à la décarbonation de ces compte tenu des contraintes sur la biomasse (voir supra). Les
secteurs, en particulier dans une période transitoire (Gray et autoroutes à caténaire pourraient aussi être une option en
al., 2021 ; Transport & Environment, 2018b). Ces considéra- complément d’autres solutions pour les trajets hors autoroutes
tions motivent l’inclusion du transport maritime et aérien équipées (Jöhrens et al., 2020 ; Wietschel et al., 2019). Les poids
dans la catégorie « usages incontournables ». Le rôle de l’hy- lourds à batterie sont significativement plus efficaces énergéti-
drogène pur serait probablement limité compte tenu de sa quement et moins chers à l’achat et à l’entretien (Transport &
faible densité volumique, mais ses dérivés (notamment kéro- Environment, 2018a). Néanmoins, la plus longue autonomie,
sène synthétique et ammoniac) pourraient être consommés un bilan matériau éventuellement moins lourd et le temps de
(Clean Sky & FCH, 2020 ; Dincer & Acar, 2016 ; Gray et al., recharge plus court des véhicules utilisant une pile à combustible
2021 ; Hansson et al., 2020). Il est également important de pourraient leur donner un avantage (Correa et al., 2017 ; Euro-
souligner que pour ces deux secteurs, le levier principal de pean Hydrogen Backbone, 2021). Ainsi, dans son scénario Net
réduction des émissions est la diminution du trafic (Shar- Zero 2050, l’AIE indique que le paramètre définissant le choix de
mina et al., 2021 ; Transport & Environment, 2018b). technologie de propulsion pour les poids lourds en 2050 est la
– 10 –Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe
distance quotidienne parcourue, et voit une plus grande péné- à batterie. En incluant les poids lourds effectuant des trajets
tration des véhicules à piles à combustible à partir de 400 km/ jusqu’à 800 km/jour, qui représentent près de 80 % de l’activité
jour et la chute de la pénétration des véhicules à batterie au-delà dans l’UE, ce segment augmente encore (Transport & Environ-
de 500 km/jour (IEA, 2021b). Plusieurs constructeurs automo- ment, 2020).
biles, tels que Mercedes et Renault, ont annoncé débuter leur Pour les poids lourds ayant besoin de plus longues autono-
production en série de poids lourds à batterie à autonomie mies (>400 km), la période jusqu’à la prochaine Programmation
de 300 à 400 km (Transport & Environment, 2021) ; certains pluriannuelle de l’énergie (PPE) est encore une phase d’expéri-
constructeurs développent également des modèles de camions mentation durant laquelle il convient d’étudier les conditions
à pile à combustible (Hyundai). de déploiement, l’acceptabilité, le financement de l’une et
Il est possible d’identifier plusieurs facteurs clés déterminant l’autre technologie et d’évaluer la progression des filières. À cet
les parts de marché de l’une et l’autre solutions : égard, des leçons pourront être tirées de l’expérience des projets
— Coût du carburant. La baisse du coût total de possession financés par l’appel à projets « écosystèmes territoriaux hydro-
des véhicules à hydrogène est en partie conditionnée par gène » de l’Ademe (Ademe, 2021). Dans cette phase, il convient
les baisses de coût de l’hydrogène fabriqué par électrolyse de ne pas lancer le financement d’infrastructures d’hydrogène à
(Moultak et al., 2017), qui représentent un enjeu industriel grande échelle pour éviter les coûts échoués si les poids lourds
important (voir Section 3.3). En outre, le coût des stations venaient à utiliser principalement de l’électricité, éventuelle-
peut représenter la moitié du coût de l’hydrogène à la ment en privilégiant les projets de poids lourds situés à proxi-
pompe (Cihlar et al., 2020) ; cette proportion est fortement mité de clusters de demande industrielle (voir Section 4).
dépendante du débit des stations et donc du dimensionne- Les projets pilote lancés en France dans le secteur de la mobi-
ment de parc de véhicules à hydrogène (Reddi et al., 2017). lité se sont concentrés sur les bus plutôt que sur les camions
— Dépendance de sentier. Dans le secteur des transports, lors des premiers appels à projets en 2018, mais le financement
les dépendances de sentier sont particulièrement fortes, de poids lourds de marchandises est prévu pour les prochaines
notamment parce que les flottes nécessitent des investis- années, tandis que l’offre de véhicules à l’échelle commerciale se
sements importants dans des infrastructures de recharge développe (Ademe, 2021 ; Ademe & MTES, 2019 ; Afhypac, 2021).
(éventuellement rapide pour les véhicules à batterie) et Les estimations de demande en hydrogène dans le trans-
d’avitaillement. port lourd de route varient largement entre études. Dans ses
— Construction de filière industrielle. La formation de capacités deux trajectoires hydrogène, RTE estime la demande des poids
de production de véhicules à batterie ou à pile à combus- lourds en 2050 à respectivement 8 TWh dans la trajectoire de
tible est un pré-requis au déploiement des technologies. référence, soit 7 % du parc des poids lourds, et 30 TWh dans le
Aujourd’hui, il n’existe pas de production à grande échelle de scénario « hydrogène + », soit la moitié du parc des camions et
poids lourds à hydrogène ou à batterie ; néanmoins, la filière 20 % des transports régionaux et urbains (RTE, 2020a).
batterie pour poids lourds peut bénéficier de synergies avec
son homologue pour les véhicules légers. Les dynamiques Chaleur haute température dans l’industrie. L’industrie
au niveau des territoires seront clés : des investissements représentait 19 % des émissions de CO2 françaises en 2018 (Haut
locaux en faveur d’écosystèmes d’innovation et industriels Conseil pour le climat, 2021), dont près des deux tiers sont dus
autour de l’hydrogène pourraient orienter les filières indus- à la consommation de chaleur (MTES, 2020). Les solutions pour
trielles à un stade précoce. décarboner la chaleur industrielle, outre l’efficacité énergétique
et des matériaux, sont le report vers des solutions électriques,
Ces trois facteurs sont largement tributaires des politiques l’utilisation de carburants alternatifs tels que la biomasse sous
de déploiement des technologies et montrent leur influence forme solide ou gazeuse ou l’hydrogène, et enfin le captage et
sur la composition des flottes à long terme. À un stade précoce stockage du carbone (CCS) (Bataille et al., 2018 ; Energy Tran-
de déploiement, les stratégies politiques de long terme sont sitions Commission, 2021b). L’utilisation de la biomasse (éven-
fondamentales pour définir les conditions techno-économiques tuellement sous forme de biométhane) et du CCS est assez
des concurrences entre technologies (Roehrl & Riahi, 2000). contrainte (voir supra), ce qui explique par exemple pourquoi
Comment définir des politiques publiques pour la décarbona- malgré un fort potentiel technique, la biomasse ne fournit
tion du transport de poids lourds compte tenu des incertitudes qu’une minorité de la chaleur industrielle dans le scénario Net
techno-économiques ? Zero 2050 de l’AIE et dans les scénarios européens de décarbo-
Il semble relativement certain que les poids lourds faisant nation (IEA, 2021b ; Lenz et al., 2020 ; Tsiropoulos et al., 2020).
des distances régionales (inférieures à environ 400 km/jour) Là aussi, le rôle de l’hydrogène sera en grande partie défini
pourraient utiliser une motorisation à batterie, ce qui corres- par sa concurrence avec l’électricité (Tsiropoulos et al., 2020).
pond à 62 % de l’activité des poids lourds dans l’UE (en termes Les technologies électriques peuvent fournir l’énergie néces-
de tonnes-kilomètre) (Transport & Environment, 2020). Il paraît saire pour tous les niveaux de température, grâce notamment
stratégique d’encourager l’adoption de motorisations à batterie aux pompes à chaleur, mais aussi à d’autres technologies telles
pour ce type de poids lourds, étant donné que la filière pourrait que les fours à arc électrique (Madeddu et al., 2020). Le niveau
s’appuyer à la fois sur les progrès industriels et sur l’infrastruc- d’efficacité énergétique de l’hydrogène et celui de l’électricité
ture de recharge permis par la massification des véhicules légers pour ces processus sont dans des intervalles similaires quand
– 11 –Vous pouvez aussi lire
